殼牌煤氣化爐渣屏結(jié)渣原因分析及優(yōu)化措施

李建營(yíng)，沈小炎

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)龍宇煤化工)是河南能源化工集團(tuán)有限公司下屬企業(yè)，現(xiàn)已形成年產(chǎn)50萬(wàn)t甲醇、20萬(wàn)t二甲醚、40萬(wàn)t醋酸及2×20萬(wàn)t乙二醇產(chǎn)能規(guī)模。龍宇煤化工現(xiàn)配置1臺(tái)殼牌粉煤氣化爐和2臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的五環(huán)粉煤氣化爐為裝置提供粗煤氣，當(dāng)前原料煤主要是以永城本地煤為主原料，摻配部分陜西煤(如彬縣煤、高家堡煤、文家坡煤、亭南煤等)。煤氣化用煤以無(wú)煙煤居多，原料煤煤質(zhì)穩(wěn)定是殼牌氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于本地?zé)o煙煤(新橋煤)煤質(zhì)波動(dòng)較大、灰分含量較高、外地配煤原料供應(yīng)量有限、品種繁多等原因，最終導(dǎo)致入爐原料煤煤質(zhì)波動(dòng)較大，造成殼牌煤氣化爐運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)渣屏結(jié)渣(渣池堵渣)的現(xiàn)象。本文結(jié)合企業(yè)針對(duì)殼牌氣化爐下渣口設(shè)備設(shè)計(jì)構(gòu)造和正常運(yùn)行期間渣屏結(jié)渣的現(xiàn)象，初步分析造成渣屏結(jié)渣的原因以及渣池堵渣的預(yù)防、處理措施，共同探討預(yù)防渣屏結(jié)渣的方法。

1 殼牌粉煤氣化工藝

殼牌粉煤氣化爐采用氣流床加壓氣化、液態(tài)排渣工藝替代固體排渣工藝，粉煤氣化爐的氣化溫度高達(dá)1 400～1 700℃，氣化爐反應(yīng)室采用水冷壁結(jié)構(gòu)，4個(gè)煤燒嘴分區(qū)插入到氣化爐環(huán)形爐壁突出的燒嘴罩中，水平對(duì)稱(chēng)，徑向4.5°小角度安裝的煤燒嘴將煤粉氣流噴出，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行不完全氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量粗煤氣，在氣化爐反應(yīng)器內(nèi)形成了一股旋轉(zhuǎn)上升的氣流，煤粉反應(yīng)后產(chǎn)生的高溫將微米級(jí)的灰分熔化形成毫米渣顆粒。在高速旋流粗煤氣產(chǎn)生的離心力作用下，粗煤氣中微小熔渣顆粒在氣化爐爐膛水冷壁內(nèi)表面冷卻形成渣層，液態(tài)熔渣的固化可以起到“以渣抗渣”的作用，對(duì)氣化爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和簡(jiǎn)化操作起著極其重要的作用。由于殼牌氣化爐下渣口原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，導(dǎo)致高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)氣化爐渣屏易結(jié)渣，進(jìn)而導(dǎo)致下渣口易堵渣，這是殼牌粉煤氣化爐存在的共性問(wèn)題。目前，殼牌氣化爐應(yīng)用企業(yè)對(duì)于渣屏結(jié)渣普遍缺乏有效的監(jiān)控手段和在線(xiàn)處理措施，一旦渣屏處形成的大渣塊垮渣掉入渣池，導(dǎo)致U-1400渣水系統(tǒng)液位及渣池循環(huán)水泵流量出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，如果處理不及時(shí)，則只能被迫停車(chē)，或者直接觸發(fā)氣化爐大聯(lián)鎖而跳車(chē)。

2 氣化爐渣屏的結(jié)構(gòu)和功能

殼牌氣化爐錐型渣屏是氣化爐水汽系統(tǒng)的一部分，其位置在渣口與渣池之間，主要功能是支撐渣口，為高溫渣口和渣池液位提供熔渣落入渣池過(guò)程中一個(gè)合適的溫度梯度分布。

氣化爐渣屏是一個(gè)具有高度氣密性的、由多個(gè)水通道組成的“管-翅-管”結(jié)構(gòu)，來(lái)自強(qiáng)制循環(huán)鍋爐水泵P-1301的飽和鍋爐水經(jīng)過(guò)分配管進(jìn)入組成渣屏的多個(gè)水通道。由于渣屏工作在高溫區(qū)、熔渣沖蝕區(qū)，渣屏水冷壁上設(shè)置了金屬銷(xiāo)釘，銷(xiāo)釘外表面澆注一層14mm厚碳化硅耐火材料[1]，以抵擋氣化爐爐膛內(nèi)高溫熔渣的沖蝕作用。因此，綜合熔渣流體速度較低的強(qiáng)旋流流場(chǎng)特點(diǎn)和渣屏所在的具體位置，必須確保渣屏運(yùn)行的正常工況，以避免因溫度梯度不合適而導(dǎo)致渣口堵塞。

3 渣屏結(jié)渣的具體現(xiàn)象及原因分析

氣化爐正常運(yùn)行期間，由于高溫熔融渣在下渣口處的流動(dòng)性好，液態(tài)熔融渣的液滴在下落過(guò)程當(dāng)中，被氣化爐產(chǎn)生的合成氣旋流連續(xù)帶到錐形渣屏環(huán)縫處附著，并不斷地在渣屏處堆積凝固，這個(gè)過(guò)程叫渣屏掛渣(正常渣的形態(tài)是由2～5mm的渣顆粒和1mm球顆粒及少量煤泥組成，見(jiàn)圖1)。

圖1 正常的渣樣

3.1 渣屏結(jié)渣的現(xiàn)象

3.1.1 渣池環(huán)形空間溫度上漲

由于氣化爐爐膛內(nèi)部環(huán)境溫度過(guò)高(1 400～1 600℃)，因此，原始設(shè)計(jì)并未設(shè)置渣屏所處位置的溫度探頭，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣化爐環(huán)形空間的內(nèi)部溫度。但從目前殼牌氣化爐裝置渣屏結(jié)渣后的運(yùn)行情況分析，渣池環(huán)形空間外殼溫度測(cè)點(diǎn)13TI0036/37/38/54均呈不同程度的上漲趨勢(shì)，特別是13TI0038溫度點(diǎn)上漲趨勢(shì)較為明顯，最高達(dá)到375℃，可由此間接判斷出渣屏出現(xiàn)結(jié)渣。

3.1.2 渣池液位及破渣機(jī)油壓出現(xiàn)波動(dòng)

由于氣化裝置渣池環(huán)形空間外殼溫度出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，使得爐溫和爐壓控制不穩(wěn)定，伴隨著爐壓的波動(dòng)，渣池液位會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致渣池下部排放罐出現(xiàn)排渣不暢的現(xiàn)象。此時(shí)，除渣崗位操作人員會(huì)采取“上頂下壓”的排堵模式進(jìn)行排堵，由于排堵過(guò)程中渣鎖斗V-1403內(nèi)部充壓排堵“上頂”的氮?dú)膺M(jìn)入渣屏空間區(qū)域，冷氮?dú)鈹y帶少量濕氣上升與懸掛不牢靠的渣錐接觸，會(huì)導(dǎo)致渣塊脫落，破渣機(jī)油壓也會(huì)隨之出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。

3.1.3 初步水處理系統(tǒng)濾餅產(chǎn)量下降

氣化裝置初步水處理系統(tǒng)中臥螺機(jī)濾餅產(chǎn)量、渣中殘?zhí)己?、渣水固含量?huì)大幅度減少，特別是臥螺機(jī)的濾餅產(chǎn)量會(huì)成倍下降。

3.2 渣屏結(jié)渣原因

3.2.1 熔融的渣受到黏結(jié)力的作用

由于受熔渣與渣屏水冷壁間黏結(jié)力的限制，熔渣在渣屏壁面上生長(zhǎng)緩慢，并形成鐘罩樣渣層、鐘乳石樣渣[2]，到一定厚度時(shí)便會(huì)脫落掉入渣池，造成排渣系統(tǒng)的落渣管、破渣機(jī)處形成架橋堵塞，渣池堵渣。

3.2.2 未反應(yīng)的煤粉在渣屏區(qū)域產(chǎn)生二次反應(yīng)

氣化爐內(nèi)部燃燒反應(yīng)過(guò)程中，少量體積密度較輕的、未參與反應(yīng)的煤粉，與大量下降的熔渣混合，伴隨著高速旋流合成氣經(jīng)過(guò)渣口進(jìn)入渣屏空間。在渣屏與渣口相連接的環(huán)系空間區(qū)，由于頂部錐段存在回流區(qū)及氣化爐內(nèi)部平衡孔隙，尺寸較小、密度較輕的煤粉顆粒向上回流，黏附在渣屏上部錐段的耐火材料表面，發(fā)生二次反應(yīng)(即碳反應(yīng))。碳反應(yīng)完畢之后，微米級(jí)的灰分高溫緩慢熔化，匯集的熔渣液滴向下流動(dòng)，當(dāng)渣屏與渣口相連接的環(huán)系空間區(qū)被渣屏黏附粉煤受熱熔化液滴渣填滿(mǎn)后，液滴渣可通過(guò)渣屏與渣口相連接的環(huán)系空間區(qū)沿渣屏流動(dòng)，由于殼牌氣化爐下渣口流場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)特性和渣屏梯度降溫速率對(duì)黏溫特性的影響，下落的液滴渣具有旋流特性，在運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)部分黏附到渣裙及渣屏壁面上，渣屏下部錐段與渣池上部空間溫度低于煤粉的流動(dòng)溫度，液滴熔渣流動(dòng)到渣屏下部錐段時(shí)，緩慢凝固形成渣塊。

3.2.3 煤灰黏度高

目前，氣化爐所用煤種較為復(fù)雜，根據(jù)氣化原料煤分析具體數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，本地新橋煤煤種M1灰分波動(dòng)較大(最高可達(dá)到27%以上)，灰熔點(diǎn)較高，外地煤M2、M3灰分偏低(最低可達(dá)到12%以下)，灰熔點(diǎn)也偏低，兩者配煤煤種灰分相差15%左右。

表1 氣化原料煤分析數(shù)據(jù)

本地高灰分的煤和外地低灰熔點(diǎn)的煤在配置不均勻的情況下，煤灰成分中 SiO2大幅增加，造成煤灰黏度偏高，導(dǎo)致熔渣結(jié)渣性增強(qiáng)。同時(shí)，兩種配煤的灰熔點(diǎn)(FT)偏差不宜過(guò)大，在爐溫控制窗口擴(kuò)大的情況之下，容易導(dǎo)致灰熔點(diǎn)(FT)較低的煤種形成的渣流動(dòng)性較強(qiáng)，易引發(fā)渣屏區(qū)域結(jié)渣。

4 渣屏結(jié)渣問(wèn)題的優(yōu)化和預(yù)防措施

(1)嚴(yán)格監(jiān)控好渣池環(huán)形空間外殼溫度變化，間接通過(guò)13TI0036/37/38/54表溫指示體現(xiàn)渣池環(huán)形空間溫度，所有溫度測(cè)點(diǎn)不得超過(guò)260℃。

(2)在發(fā)現(xiàn)氣化爐渣屏出現(xiàn)有結(jié)渣現(xiàn)象的初期，可以選擇將去渣池環(huán)形空間吹掃氣閥門(mén)13XV0033閥門(mén)打開(kāi)，在渣屏與渣口相連接的環(huán)系空間平衡區(qū)補(bǔ)入少量的高溫、高壓二氧化碳?xì)怏w，氣體會(huì)通過(guò)氣化爐內(nèi)部平衡孔隙干擾渣屏空間回流區(qū)流場(chǎng)。

(3)控制好入爐配煤的煤灰成分及灰熔點(diǎn)(FT)，配煤的兩種煤的灰分差保證在10%以?xún)?nèi)，以防止因配煤不均使灰組分波動(dòng)，出現(xiàn)工況波動(dòng)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明[4]，當(dāng)灰渣的黏度在25～3Pa·s時(shí)，灰渣熔融流動(dòng)性較好，渣口處下渣順暢。同時(shí)也要控制好所配煤種之間的灰熔點(diǎn)(FT)之差，要求兩種配煤的灰熔點(diǎn)(FT)相差必須小于200℃，避免因煤種之間灰熔點(diǎn)跨度較大，導(dǎo)致熔渣流場(chǎng)發(fā)生湍流變化。

(4)控制入爐灰中鋁比在1.8～2.6，控制入爐煤灰分在17%～21%。操作過(guò)程中，適當(dāng)提高氣化爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)反應(yīng)溫度，穩(wěn)定煤線(xiàn)，減少粉煤給料罐壓力波動(dòng)和煤燒嘴跳車(chē)次數(shù)，穩(wěn)定氣化爐爐溫，防止?fàn)t溫大幅波動(dòng)造成氣化爐底錐掛渣不穩(wěn)定對(duì)渣屏結(jié)渣的影響，根據(jù)煤種變化及灰熔點(diǎn)，監(jiān)控爐膛蒸汽產(chǎn)量13FY0047在5.3～5.5kg/s，固含量控制在2%以下，CO2在線(xiàn)分析表變化在12%～15%(煤線(xiàn)控制載氣為CO2工況)。

(5)適當(dāng)提高氧煤比，增加氣化爐反應(yīng)區(qū)溫度，或適當(dāng)提高助熔劑的添加量，增加渣的流動(dòng)性，降低渣的黏度，使渣逐漸熔融掉進(jìn)渣池內(nèi)部。

5 采取優(yōu)化和預(yù)防措施后的效果

自2016年完成全部操作優(yōu)化和預(yù)防措施之后，龍宇煤化工殼牌煤氣化裝置運(yùn)行穩(wěn)定，即便在入爐煤品質(zhì)出現(xiàn)短期較大波動(dòng)時(shí)，技術(shù)人員可以針對(duì)上述現(xiàn)象采取最合適的優(yōu)化操作手段，有效解決氣化爐渣屏結(jié)渣問(wèn)題，避免由此造成氣化爐工況劇烈波動(dòng)乃至跳車(chē)、停車(chē)帶來(lái)的較大損失，保證了殼牌氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)殼牌煤氣化裝置在操作過(guò)程中出現(xiàn)的渣屏結(jié)渣的共性問(wèn)題，龍宇煤化工經(jīng)過(guò)深入分析和科學(xué)探討，制定了一系列行之有效的優(yōu)化方案，一方面控制好原料煤煤質(zhì)，另一方面要準(zhǔn)確收集和掌握相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以預(yù)判可能出現(xiàn)的渣屏問(wèn)題，并及時(shí)進(jìn)行分析解決，保證氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)國(guó)內(nèi)其他企業(yè)實(shí)現(xiàn)殼牌煤氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行具有良好的借鑒價(jià)值。